第七節(jié) 自感現(xiàn)象及其應用【思維激活】1.在接通或斷開電動機電路時，在開關處會產生火花放電，你知道為什么嗎？ 提示：電動機電路是含有線圈的電路，在通電瞬間或斷電瞬間，線圈中就會有電流的巨大變化，從無到有或從有到無，在也會產生電磁感應現(xiàn)象，產生感應電動勢，由于變化較快，感應電動勢會比較大，加在開關的動片與靜片之間，就會形成火花放電。這是自感現(xiàn)象。2.在日常生活中，若發(fā)現(xiàn)或懷疑家用煤氣泄漏，選用了打電話報警的方式求助，你認為這種方法正確嗎？提示：不正確，打電話時會產生火花引起火災，釀成更大的事故?！咀灾髡怼?.互感現(xiàn)象：繞在同一鐵芯的兩個線圈，當其中一個線圈上的電流變化時，它所產生的變化的磁場會在另一個線圈中產生感應電動勢，這種現(xiàn)象就叫互感。2.自感現(xiàn)象：當一個線圈中的電流發(fā)生變化時，它所產生的變化磁場不僅在鄰近的電路中激發(fā)出感應電動勢，同樣也會在它本身激發(fā)出感應電動勢。這種由于導體本身的電流發(fā)生變化而使自身產生電磁感應的現(xiàn)象叫做自感。3.自感電動勢：由于自感而產生的感應電動勢叫做自感電動勢。4自感系數(shù)：自感系數(shù)L簡稱自感或電感，它跟線圈的大小、形狀、圈數(shù)以及是否有鐵芯等因素有關，線圈的橫截面積越大、線圈繞制得越密、匝數(shù)越多，它的自感系數(shù)就越大，另外有鐵芯的線圈的自感系數(shù)比沒有鐵芯時大.單位：_，符號是H.常用的還有_（mH）和_（H），換算關系是：1 H=_mH=_H.。5.磁場的能量：線圈中有電流，就有磁場，_就儲存在磁場中。【高手筆記】1.自感現(xiàn)象是否符合楞次定律？剖析：自感現(xiàn)象是一種特殊的電磁感應現(xiàn)象，其規(guī)律符合楞次定律，即感應電動勢阻礙磁通量的變化。只不過由于自感現(xiàn)象中磁通量的變化是由于電路中電流的變化引起的。所以，自感電動勢直接表現(xiàn)為阻礙原電源的變化。這里要著重強調阻礙的含義：“阻礙”不是“相反”：原電流增加時“反抗”；原電流減小時“反抗”；原電流減小時“補償”?！白璧K”不是“阻止”：自感現(xiàn)象雖然延緩了電流變化進程，但最終電流還是要變化到穩(wěn)定時應有的值。2.對斷電自感應如何分析？剖析：對圖1-7-1所示電路，普遍存在這樣的錯誤認識：斷開開關S，流過L的電流迅速減小，線圈L中產生一個很大的自感電動勢，自感電動勢在線圈中產生一個比原來的電流還要大的感應電流，從而使燈泡閃亮一下，其實，出現(xiàn)明顯閃爍現(xiàn)象的根本原因是IL>IA，而IL和IA是電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時兩支路的電流。電路穩(wěn)定時，線圈L也只相當于一個電阻。因此，線圈的直流電阻RL<<RA才是實驗現(xiàn)象中出現(xiàn)明顯閃爍的根本條件。圖1-7-1由于原來流過線圈的電流IL大于流過燈泡A的電流IA，斷開開關S后，最初的一小段時間（t1-t0）內流過燈泡A的電充大于IA，故燈泡會閃爍。圖1-7-1是L中電流的變化情況。t0時刻斷開開關S，t0時刻后的電流也是燈泡中的電流。【名師解惑】1.自感現(xiàn)象（1）實驗電路圖1-7-2為通電自感實驗，圖1-7-3為斷電自感實驗。圖1-7-2 圖1-7-3（2）實驗現(xiàn)象在圖1-7-2中，閉合開關S，燈泡A2立刻正常發(fā)光，而跟線圈L串聯(lián)的燈泡A1卻是逐漸亮起來。在圖1-7-3中，斷開開關S，燈泡A并非立即熄滅，而是過一會才逐漸熄滅。（3）實驗分析現(xiàn)象分析：上述兩種實驗電路中有一個共同點，那就是閉合開關或斷開開關時，流過線圈的電流都發(fā)生變化。概念：由于導體本身的電流發(fā)生變化而產生的電磁感應現(xiàn)象，叫做自感現(xiàn)象。 本質分析：由法拉第電磁感應定律知道，穿過線路的磁通量發(fā)生變化時，線路中就產生感應電動勢。在自感現(xiàn)象中，由于流過線圈的電流發(fā)生變化，導致穿過線圈的磁通量發(fā)生變化而產生自感電動勢。注意：在圖1-7-2中，通過時產生的自感電動勢阻礙線圈的電流增加，故A1逐漸亮起來；在圖1-7-3中斷電時產生的電動勢阻礙線圈的電流減小，當S斷開后，燈泡A和線圈L組成了新的閉合電路，自感電動勢所提供的電流方向和線圈中原來的電流方向相同，但流過A的電流方向卻和原來相反。小結：自感電動勢的作用：總是阻礙導體中原電流變化，即總是起著推遲電流變化的作用。自感電動勢的方向：自感電動勢總是阻礙導體中原來電流的變化，當原來電流增大時，自感電動勢與原來電流方向相反；當原來電流在減小時，自感電動勢與原來電流方向相同。從能量角度分析在斷電實驗中，S斷開前后，線圈L中有電流，則線圈中有磁場能。S斷開后，線圈所儲有的磁場能通過燈泡釋放出來，流過線圈的電流在原來大小的基礎上逐漸減小，由于IL<IA，故燈泡會更亮一下再慢慢熄滅。2.自感電動勢與自感系數(shù)（1）自感電動勢在自感現(xiàn)象中產生的感應電動勢叫自感電動勢。其作用是阻礙導體本身電流的變化。表達式：E即自感電動勢與電流的變化率成正比，其中L為自感系數(shù)。（2）自感電動勢的方向自感電動勢總是阻礙導體中原來電流的變化，當原來電流增大時，自感電動勢與原來電流方向相反；當原來電流在減小時，自感電動勢與原來電流方向相同。（3）自感系數(shù)L自感系簡科稱自感或電感，不同的線圈，在電流變化相同的條件下，產生的自感電動勢不同，電學中用自感系數(shù)來表示線圈的這種特性。線圈的長度越長，線圈的面積越大，單位長度上匝數(shù)越多，線圈的自感系數(shù)越大，線圈中有鐵芯比無鐵芯時自感系數(shù)大。單位：亨利，符號H，1H=103mH=106H物理意義：表示線圈產生自感電動勢本領大小的物理量。數(shù)值上等于通過線圈的電流在1s內改變1A時產生的自感電動勢的大小。3.在斷電自感中，燈泡更亮一下的條件是什么？在如圖1-7-4所示的電路中，當開關S斷開后，燈泡A是否會更亮一下？更亮一下的條件是什么？圖1-7-4該天關閉合時，電源路端電壓為U，線圈的電阻為RL，燈泡的電阻為RA，則通過線圈的電流為，通過燈泡的電流為。當開關斷開后，線圈中燈泡組成的回路中的電流從IL開始減弱。若RA>RL，有IA<IL，在斷開開關的瞬間，通過燈泡的電流會瞬時增大，燈泡會更亮一下，若RARL，有IAIL，斷開開關后，通過燈泡的電流減小，燈泡不會更亮一下。4.線圈對變化電流的阻礙作用與對穩(wěn)定電流的阻礙作用有何不同（1）兩種阻礙作用產生的原因不同線圈對穩(wěn)定電流的阻礙作用，是由繞制線圈的導線的電阻決定的，對穩(wěn)定電流阻礙作用的產生原因，是金屬對定向運動電子的阻礙作用，具體可用金屬導電理論理解。線圈對變化電流的阻礙作用，是由繞圈的自感現(xiàn)象引起的，當通過線圈中的電流變化時，穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，產生自感電動勢，根據(jù)楞次定律知，當線圈中的電流增加時，線圈中的自感電動勢與電流方向相反，阻礙電流的增加，如圖1-7-5甲所示，當線圈中的電流減小時，線圈中的自感電動勢與電流方向相同，阻礙電流減?。▓D1-7-5乙）圖1-7-5（2）兩種阻礙作用產生的效果不同在通電線圈中，電流穩(wěn)定值為E/RL，由此可知線圈的穩(wěn)態(tài)電阻決定了電流的穩(wěn)定值。由圖丙知，L越大，電流由零增大到穩(wěn)定值I0的時間越長。也就是說，線圈對變化電流的阻礙作用越大。電流變化的越慢，總之，穩(wěn)態(tài)電阻決定了電流所能達到的穩(wěn)定值，對變化電流的阻礙作用決定了要達到穩(wěn)定值所需的時間?！局v練互動】例1.在制作精密電阻時，為消除使用過程中由于電流變化而引起的自感現(xiàn)象，采用如圖1-7-6所示的雙線繞法，其道理是（ ）圖1-7-6A.當電路中的電流變化時，兩股導線產生的自感電動勢相互抵消B.當電路中的電流變化時，兩股導線產生的感應電流相互抵消C.當電路中的電流變化時，兩股導線中原電流的磁通量相互抵消D.以上說法都不對解析：產生感應電動勢的最根本原因是因為有磁通量，有了，才有感應電動勢E，有了E才能產生感應電流I，從這個因果關系不難發(fā)現(xiàn)C項是正確的，對于D，電流的變化量是抵消不了的，輸入電流與輸出電流變化量是一樣的。答案：【變式訓練】1.關于線圈的自感系數(shù)，下面說法正確的是（ ）A.線圈的自感系數(shù)越大，自感電動勢一定越大B.線圈中電流等于零時，自感系數(shù)也等于零C.線圈中電流變化越快，自感系數(shù)越大D.線圈的自感系數(shù)由線圈本身的因素及有無鐵芯決定解析：自感系數(shù)是線圈本身的固有屬性，只決定于線圈長短、粗細、匝數(shù)、有無鐵芯等自身因素，而與電流變化快慢等外部因素無關。自感電動勢的大小與線圈系數(shù)及電流變化率有關，而自感系數(shù)與線圈形狀、長短、匝數(shù)、有無鐵芯有關。線圈越長，橫截面積越大，單位長度上的匝數(shù)越多，系數(shù)越大，另外，有鐵芯時線圈的自感系數(shù)比沒有鐵芯時線圈的自感系數(shù)要大得多。線圈的自感系數(shù)與線圈的形狀、長短，匝數(shù)及有無鐵芯有關，與線圈中的電流無關，B、C錯，D對；由E自=L知，自感系數(shù)越大，自感電動勢不一定越大，A錯。答案：D例2.如圖1-7-7所示，線圈L的電阻可忽略，開關S處于閉合狀態(tài)，當將開關斷開的瞬間，以下說法正確的是（ ）圖1-7-7A.A立即熄滅B.A逐漸熄滅C.A先閃一下再逐漸熄滅D.難以判斷解析：對自感現(xiàn)象要搞清通電自感和斷電自感兩種情況，這是自感現(xiàn)象分析的基本問題，如圖1-7-6所示，原來電路閉合處于穩(wěn)定狀態(tài)，L與A并聯(lián)，其電流分別為IA、IL，方向都是從左到右的。在斷開S的瞬間，A中原來的從左到右的電流IA立即消失。但是A與L組成一閉合回路，由于線圈L的自感作用，在回路中產生了一自感電動勢，給回路提供電源，使其中的IL不會立即消失，而是在回路中逐漸減弱維持短暫的時間，這個時間內燈A中有從右到左的電流通過。這時通過A的電流從IL開始減弱，如果RL<RA（RL為線圈L的直流電阻），原來的電流IA<IL，則在燈熄滅之前要閃一下；如果RLRA，原來的電流IAIL，則燈是逐漸熄滅不是閃亮一下，本題線圈L的電阻可忽略，故RL<RA，正確答案應選C。答案：C【變式訓練二】1.如圖1-7-所示的電路中，A1和A2是完全相同的燈泡，線圈L的電阻可以忽略，下列說法正確的是（ ）圖1-7-A.合上開關S接通電路時，A2先亮，A1后亮，最后一樣亮B.合上開關S接通電路時，A1和A2始終一樣亮C.斷開開關S切斷電路時，A2立即熄滅，A1過一會兒才熄滅D.斷開開關S切斷電路時，A1和A2都要過一會兒熄滅解析：本題考查了對通電自感和斷電自感現(xiàn)象的理解，以及純電感線圈在電流穩(wěn)定時相當于一根短路導線，通電瞬間，L中有自感電動勢產生，與L在同一支路的燈A1要逐漸變亮，而A2和電源構成回路則立即變亮；穩(wěn)定后，A1與A2并聯(lián)，兩燈一樣亮，斷開開關瞬間，L中有自感電動勢，相當于電源，與A1、A2構成回路，所以兩燈都過一會兒才熄滅。答案：AD【變式訓練三】1.如圖1-7-9所示，A1和A2是兩個相同的小燈泡，L是自感系數(shù)相當大的線圈，其電阻阻值與R相同，由于存在自感現(xiàn)象，在開關S接通和斷開時，燈A1、A2亮暗的先后順序是（ ）圖1-7-9A.接通時，A1先達最亮；斷開時，A1后暗B.接通時，A2先達最亮；斷開時，A2后暗C.接通時，A1.A2同時達最亮；斷開時，A1后暗D.接通時，A2先達最亮；斷開時，A1后暗答案：D【體驗探究】如圖1-7-10所示，電路中A1、A2是規(guī)格完全相同的兩個燈泡，閉合開關S，調節(jié)變阻器的電阻，使A1、A2亮度相同，再調節(jié)R1，使兩燈泡正常發(fā)光。將開關斷開，然后將開關閉合（反復幾次）。通過仔細觀察，我們會發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：（1）開關閉合的瞬間，A1慢慢變亮，而A2瞬間變亮，即A1比A2亮得晚；（2）將已閉合的開關打開的瞬間，A1、A2均慢慢變暗到熄滅，如果將電路中的線圈L換成一根導線或電阻，A1、A2會同時亮起和同時熄滅。為什么會有以上現(xiàn)象存在？線圈L起什么作用？開關已斷天，為什么燈不會立即熄滅？有新的電源產生嗎？圖1-7-10【導思】此問題可根據(jù)楞次定律的“增長減同”原理進行分析【探究】電路接通時，電流由零開始增加，穿過線圈L的磁通量隨著增加，依據(jù)楞次定律中“增反減同”的原理，在L支路中產生的感應電動勢的方向與原來電流方向相反，阻礙電流增加，即推遲了電流達到正常值的時間，從而使與線圈L串聯(lián)的燈A2慢慢變亮。電路斷開時，通過線圈L的電流突然減弱，通過線圈L的磁通量也很快地減少，依據(jù)楞次定律中“增反減同”的原理，在線圈中產生的感應電動勢的方向與原來電流方向相同，阻礙電流的減弱，即推遲了電流減小到零的時間，從而使A1、A2逐漸熄滅，這里的線圈L為L、A1、A2所構成的回路提供了新的電源。6